difucion

LECCIÓN 5
PORTADORES FUERA DE EQUILIBRIO:
DIFUSIÓN Y RECOMBINACIÓN

1) GENERACIÓN Y RECOMBINACIÓN DE PORTADORES

En las lecciones anteriores nos hemos limitado a estudiar las propiedades de los portadores en equilibrio térmico. En esta lección abordaremos el estudio de las propiedades de los portadores fuera de equilibrio, que son de gran importancia para el estudio de los dispositivoselectrónicos. Las características, eficiencia y limitaciones de los dispositivos están determinados por las propiedades de los portadores fuera de equilibrio. Veremos que, al contrario de lo que ocurre con las propiedades en equilibrio térmico (determinadas por los portadores mayoritarios: electrones en material de tipo n, huecos en material de tipo p), son los parámetros de los portadoresminoritarios los que juegan el papel principal.

Los procesos mediante los cuales se excitan portadores desde los niveles ocupados a los niveles vacíos son los llamados mecanismos de generación de portadores. La generación de portadores libres en un semiconductor puede deberse a causas internas (excitación térmica) o externas (radiación electromagnética, campos intensos, inyección desde otra zona delmaterial, etc). Los portadores libres excitados por estímulos externos no permanecen indefinidamente en ese estado, ya que existen diversos mecanismos que tienden a hacerlos volver al estado inicial. Son los llamados mecanismos de recombinación. La figura representa esquemáticamente varios de esos mecanismos. Entre ellos podemos señalar los siguientes:

-Recombinación radiativa: encuentrodirecto entre un electrón y un hueco que se recombinan emitiendo un fotón de energía igual a la banda prohibida (interacción entre dos partículas).

- Recombinación Auger: la energía del electrón que se recombina es cedida como energía cinética a otro electrón de la banda de conducción (interacción entre tres partículas).

- Recombinación por trampas: el electrón es capturado por un nivellocalizado (trampa), quedando en un estado metaestable y cediendo el exceso de energía a la red , a través de la interacción entre ésta y el estado localizado, interacción que es, en general, intensa debido a que los niveles profundos producen una fuerte deformación de la red en torno a ellos. Posteriormente dicho nivel puede capturar un hueco de la banda de valencia, completándose así la recombinación.Toda la energía en exceso se cede a la red (interacción entre una partícula y un centro).

En el equilibrio térmico, la velocidad de generación es igual a la de recombinación, manteniéndose constante la concentración de portadores.
2)TIEMPO DE VIDA MEDIO

Si, por alguna causa externa, se generan portadores en concentración n superior a la de equilibrio n0 , dichos portadores en exceso serecombinan al desaparecer la causa externa, produciéndose un proceso de relajación hasta alcanzar la concentración de equilibrio. Si Δn=n-n0 >L), de modo que las corrientes de arrastre y difusión tengan el mismo sentido, es fácil ver que l = LE. Los portadores en exceso pueden penetrar muy profundamente en el semiconductor, dándose una situación a la que se llama inyección de portadores, si hayexceso y extracción, si hay defecto de portadores. Si el campo eléctrico es negativo e intenso, l = L2/LE. l disminuye al aumentar el campo y se da una situación llamada acumulación (exceso) o exclusión (defecto) de portadores.

4)ECUACIÓN DE DIFUSIÓN BIPOLAR

Para introducir los conceptos, hemos planteado la difusión para un solo tipo de portador. Ahora bien, los portadores en exceso, salvoalgunas excepciones, son generados como pares electrón-hueco, y la condición de neutralidad impone restricciones muy estrictas a la difusión independiente de cada tipo de portador. El proceso de difusión será simultáneo y los portadores interactuarán entre sí, de manera que los mas rápidos arrastrarán a los más lentos y estos frenarán el movimiento de aquellos. Los coeficientes de difusión...